CN118191048A - 一种测定氧分压的生物传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测定氧分压的生物传感器及其制备方法，所述生物传感器包括电极***和绝缘层，电极***至少包括一个工作电极和一个对电极，工作电极上覆盖电解质层，电解质层上覆盖透氧膜，透氧膜或绝缘层包括含醚有机聚合物。本发明通过使用含醚有机聚合物的透氧膜或绝缘层，能够显著增大电极的斜率，提高传感器的精度。
Description
技术领域
本发明涉及血气分析技术领域，具体涉及一种测定氧分压的生物传感器及其制备方法。
背景技术
血氧分压是血气检测的指标之一，其可以反映血液中氧气的含量。氧气是人体呼吸、能量代谢必需的气体，氧气经过肺，进入动脉血中。人体正常的动脉血氧分压值为80-105mmHg。缺氧会对呼吸、消化、血液、中枢神经***造成损伤，甚至引发病人昏迷。当血氧分压低于20mmHg时，生命将难以维持。因此，血氧分压的实时监测在临床救护中非常重要。
血液中的氧分压可以通过血氧分压生物传感器结合血气分析仪进行检测。血氧分压生物传感器包括电极***和电极***外周部分的绝缘层。电极***通常由工作电极和对电极组成，在三电极体系下，还包括了参比电极。工作电极上覆盖电解质层，电解质层上覆盖透氧膜。血液浸没透氧膜，血液中的氧气透过透氧膜，于工作电极上发生电化学反应，产生与血氧分压值成线性关系的电流信号，经血气分析仪计算得出氧分压大小。
血氧分压生物传感器的电极斜率是指试样在电极表面反应后产生的电流值与试样氧分压值的拟合曲线的斜率，该斜率大小与传感器的精度相关，当斜率较大时，传感器的精度较好。现有技术中血氧分压电极传感器工作电极上的透氧膜常用材料为硅胶、聚四氟乙烯、乙酸纤维素(又名醋酸纤维素)、聚氯乙烯等，电极***外周部分的绝缘层一般由聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、陶瓷、氧化铝等组成，但使用这些常规透氧膜/绝缘层材料所制备的血氧分压生物传感器的电极斜率较小，传感器精度不够。
发明内容
鉴于以上所述常规透氧膜/绝缘层材料导致的血氧分压生物传感器精度较低的问题，本发明在透氧膜或绝缘层的材料中添加了含醚有机聚合物，显著增大了血氧分压生物传感器的斜率，提高了传感器的精度。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种测定氧分压的生物传感器，包括电极***和绝缘层，所述电极***至少包括一个工作电极和一个对电极，所述工作电极上覆盖电解质层，所述电解质层上覆盖透氧膜，其特征在于，所述透氧膜或绝缘层包括含醚有机聚合物。
所述生物传感器还包括定标液加注口和试液加注口。
作为用于测定氧分压的生物传感器的优选方案，所述透氧膜包括含醚有机聚合物，绝缘层不包括含醚有机聚合物。
作为用于测定氧分压的生物传感器的优选方案，所述透氧膜不包括含醚有机聚合物，绝缘层包括含醚有机聚合物。
作为用于测定氧分压的生物传感器的优选方案，所述透氧膜和绝缘层都包括含醚有机聚合物。
作为用于测定氧分压的生物传感器的优选方案，所述含醚有机聚合物选自热塑性有机硅聚醚聚氨酯或聚醚砜或环氧树脂。
作为用于测定氧分压的生物传感器的优选方案，所述热塑性有机硅聚醚聚氨酯的浓度为0.5-10％。
作为用于测定氧分压的生物传感器的优选方案，所述热塑性有机硅聚醚聚氨酯的浓度为0.8-6.0％。
本发明还提供一种测定氧分压的生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：通过电镀或化学镀或丝网印刷的方法形成电极***，所述电极***至少包括一个工作电极和一个对电极；
步骤2：将绝缘材料添加在电极***的外周部分，形成绝缘层；
步骤3：预先配置电解质溶液，电解质溶液均匀覆盖在工作电极上，形成电解质层；
步骤4：预先配置透氧膜溶液，透氧膜溶液均匀覆盖在电解质层上，形成透氧膜；
其中，所述透氧膜或绝缘层包括含醚有机聚合物。
作为用于测定氧分压的生物传感器的制备方法的优选方案，所述透氧膜包括含醚有机聚合物，绝缘层不包括含醚有机聚合物。
作为用于测定氧分压的生物传感器的制备方法的优选方案，所述透氧膜不包括含醚有机聚合物，绝缘层包括含醚有机聚合物。
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作为用于测定氧分压的生物传感器的制备方法的优选方案，所述含醚有机聚合物选自热塑性有机硅聚醚聚氨酯或聚醚砜或环氧树脂。
作为用于测定氧分压的生物传感器的制备方法的优选方案，所述热塑性有机硅聚醚聚氨酯的浓度为0.5-10％。
作为用于测定氧分压的生物传感器的制备方法的优选方案，所述热塑性有机硅聚醚聚氨酯的浓度为0.8-6.0％。
作为用于测定氧分压的生物传感器的制备方法的优选方案，透氧膜为一层、两层或多层。
本发明的有益效果是：本发明在测定氧分压的生物传感器中使用了含醚有机聚合物的透氧膜或绝缘层材料，具体地，透氧膜为热塑性有机硅聚醚聚氨酯透氧膜或聚醚砜透氧膜，绝缘层为环氧树脂绝缘层，能使生物传感器的斜率显著增大，传感器精度提高。
附图说明
图1是本发明生物传感器的俯视图；
图2是图1沿A-A方向的剖面视图；
图3是生物传感器的工作过程简图；
图4是实施例1中含TSPU2080A透氧膜、含TSPCU2090透氧膜和无透氧膜的生物传感器的拟合曲线；
图5是实施例2中含不同浓度TSPU2080A透氧膜的生物传感器的拟合曲线；
图6是实施例3中含聚醚砜透氧膜、含TSPCU2090透氧膜和无透氧膜的生物传感器的拟合曲线；
图7是含环氧树脂绝缘层的生物传感器俯视图；
图8是图7沿A-A方向的剖面视图；
图9是含环氧树脂绝缘层和TSPU2080A透氧膜、含环氧树脂绝缘层和TSPCU2090透氧膜、含Gwent绝缘层和TSPU2080A透氧膜、含Gwent绝缘层和TSPCU2090透氧膜的四种生物传感器的拟合曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细的说明。这些具体的实施例仅仅是在不违背本发明精神下的有限列举，并不排除本领域的一般技术人员把现有技术和本发明结合而产生的其他具体的实施方案。
一种生物传感器100，如图1和2所示，包括工作电极1、对电极2、绝缘层3、电解质层4、透氧膜5和基材6。工作电极1的材料选自导电性良好的材料，如金、银、铜、铂、碳等。对电极2的材料为银。工作电极1、对电极2形成于基材6表面，工作电极1和对电极2均通过引线7与接脚8相连，且工作电极1和对电极2的电信号通过引线7和接脚8与外接的测试装置相连，用于获取试样在工作电极1表面反应时产生的电流值。绝缘层3覆盖基材6上工作电极1、对电极2和接脚8的外周部分，并使工作电极1、对电极2和接脚8裸露。电解质层4覆盖在工作电极1的表面，透氧膜5覆盖在电解质层4的表面，透氧膜5对电解质层4起保护作用并允许试样中的氧气透过。
所述生物传感器100的工作过程：如图3所示，首先，将氧分压浓度已知的定标液通过定标液加注口1001注入流道1004中，覆盖工作电极1和对电极2区域，外接的测试装置通过接脚8和引线7与工作电极1和对电极2相连，组成测试回路，并在工作电极1上施加-0.8V的电位，在对电极上施加0V的电位，从而在工作电极1与对电极2之间形成0.8V的电位差。施加电位差0.8s后，在外接的测试装置上读取此时工作电极1与对电极2之间的电流值，并对氧分压电极的标准曲线进行校正。校正结束后，将定标液推入废液区1003，再将试样溶液通过试液加注口1002注入流道1004中，覆盖工作电极1和对电极2区域，外接的测试装置通过接脚8和引线7与工作电极1和对电极2相连，组成测试回路，读取电流信号。
实施例1含醚基透氧膜(热塑性有机硅聚醚聚氨酯透氧膜)的生物传感器斜率
本实施例1比较了含醚基透氧膜、不含醚基透氧膜和无透氧膜的三种生物传感器中电极的电流值与试样的氧分压浓度之间的斜率。所述含醚基透氧膜为热塑性有机硅聚醚聚氨酯透氧膜，所述不含醚基透氧膜为热塑性有机硅聚碳酸酯聚氨酯透氧膜，该三种生物传感器的制备步骤如下。
含醚基透氧膜(热塑性有机硅聚醚聚氨酯透氧膜)的生物传感器的制备包括以下步骤。
(1)通过电镀或者化学镀的方法在基材6上形成金层，作为工作电极1、引线7和接脚8；通过电镀、化学镀或者丝网印刷的方法在基材6上形成银层，作为对电极2。
(2)通过丝网印刷的方法在将绝缘油墨涂覆在基材6上工作电极1、对电极2和接脚8的外周部分，经干燥后形成绝缘层3。所述绝缘油墨选自英国Gwent group公司的D2070423P5 Polymer Dielectric产品，简称为Gwent绝缘。
(3)配置电解质浆料及形成电解质层4。所述电解质层浆料的配置方法为：将氯化钾溶解于去离子水中，形成氯化钾浓度为0.22M的电解质溶液。在电解质溶液中加入0.2M的甘氨酸和适当的氢氧化钾作为缓冲液，使电解质溶液的pH值为8.4。将0.274g纤维素钠、0.040g纤维素和0.363g聚乙烯吡咯烷酮溶解于36.2克去离子水中，搅拌均匀，作为成膜剂和增稠剂的溶液。取2.4g电解质溶液和1.2g成膜剂和增稠剂溶液，混匀，形成电解质层浆料，最后加入表面活性剂Triton。将Triton稀释成10％的水溶液，取0.02g该水溶液加入电解质浆料中，混合均匀后使用点液机滴加到工作电极1表面。电解质浆料覆盖工作电极1表面，经烘箱干燥，形成电解质层4。
(4)取0.05g热塑性有机硅聚醚聚氨酯(选自DSM Biomedical B.V.公司的80A UR TSPU产品，简称为TSPU2080A)溶解于1.950g异佛尔酮，形成浓度为2.5％的透氧膜溶液，使用点液机将透氧膜溶液滴加在电解质层4上，经过烘箱干燥，形成透氧膜，即制成含TSPU2080A透氧膜的生物传感器。
不含醚基透氧膜(热塑性有机硅聚碳酸酯聚氨酯透氧膜)的生物传感器的制备包括以下步骤。
步骤(1)、(2)和(3)与上述含TSPU2080A透氧膜的生物传感器的步骤(1)、(2)和(3)相同。步骤(4)：取0.05g热塑性有机硅聚碳酸酯聚氨酯(选自DSM Biomedical B.V.公司的90A UR TSPCU，简称为TSPCU2090)溶解于1.950g N,N-二甲基乙酰胺，形成浓度为2.5％的透氧膜溶液，使用点液机将透氧膜溶液滴加在电解质层4上，经过烘箱干燥，形成透氧膜，即制成含TSPCU2090透氧膜的生物传感器。
无透氧膜的生物传感器的制备包括以下步骤。
经过上述含TSPU2080A透氧膜的生物传感器的步骤(1)、(2)和(3)，即制成无透氧膜的生物传感器。
将上述制备好的含TSPU2080A透氧膜、含TSPCU2090透氧膜和无透氧膜的生物传感器与外接的测试装置相连，分别测试5个不同氧分压浓度的试样溶液，生物传感器产生与试样的氧分压大小成线性关系的电流信号，由外接的测试装置读取电流值。每个试样测试4次，取电流平均值。5个试样溶液的氧分压标准值由丹麦雷度公司的ABL80血气分析仪测得。以ABL80分析仪测得的氧分压为横轴，以测试装置测得的电流平均值为纵轴，绘制三种氧分压传感器的拟合曲线，得到的数据如表1和图4所示。本发明中电流、斜率中的负号，仅代表电流方向，对斜率的比较均指对其绝对值进行大小比较。
表1
| 传感器类型 | 斜率 | CV值 |
| 含TSPU2080A透氧膜 | -0.0088 | 5.4％ |
| 含TSPCU2090透氧膜 | -0.0046 | 8.5％ |
| 无透氧膜 | -0.0044 | 9.3％ |
实施例1的数据结果表明，含醚基透氧膜(TSPU2080A透氧膜)的氧分压传感器的电极斜率最大，为-0.0088，明显大于含TSPCU2090透氧膜和无透氧膜的氧分压传感器的电极斜率，且含TSPU2080A透氧膜的氧分压传感器的CV值最小，为5.4％，有较好的精度。由此可知，当氧分压生物传感的透氧膜材料含有醚基时，能显著增大氧分压电极的效率，且电极精度更好。
实施例2含不同浓度TSPU2080A透氧膜的生物传感器斜率
本实施例2制备了含不同浓度TSPU2080A透氧膜的生物传感器，制备步骤与实施例1中含TSPU2080A透氧膜的生物传感器的制备步骤相同，仅改变了步骤(4)中TSPU2080A和异佛尔酮的质量，使透氧膜的浓度分别为0.8％、1.0％、2.0％、2.5％、3.0％、4.0％和6.0％。按照实施例1中电流与氧分压的拟合曲线方法，绘制出这些含不同浓度TSPU2080A透氧膜的氧分压传感器的拟合曲线，结果如表2和图5所示。
表2
| TSPU2080A的浓度 | 斜率 | CV值 |
| 0.8％ | -0.0077 | 8.0％ |
| 1.0％ | -0.0081 | 6.6％ |
| 2.0％ | -0.0082 | 5.4％ |
| 2.5％ | -0.0089 | 4.9％ |
| 3.0％ | -0.0070 | 5.7％ |
| 4.0％ | -0.0069 | 7.2％ |
| 6.0％ | -0.0056 | 8.1％ |
实施例2的数据效果表明，当TSPU2080A的浓度为0.8％～6.0％时，含有该TSPU2080A透氧膜的生物传感器均含有较大的斜率和较好的精度。
实施例3含醚基透氧膜(聚醚砜透氧膜)的生物传感器斜率
本实施例3比较了含醚基透氧膜(聚醚砜透氧膜)、不含醚基透氧膜(TSPCU2090透氧膜)和无透氧膜的三种生物传感器中电极的电流值与试样的氧分压浓度之间的斜率。
含醚基透氧膜(聚醚砜透氧膜)的生物传感器的制备包括以下步骤。
制作步骤(1)、(2)和(3)与上述含TSPU2080A透氧膜的生物传感器的步骤(1)、(2)和(3)相同。步骤(4)：取0.05g聚醚砜溶解于1.950g N,N-二甲基乙酰胺，形成浓度为2.5％的透氧膜溶液，使用点液机将透氧膜溶液滴加在电解质层4上，经过烘箱干燥，形成透氧膜，即制成含聚醚砜透氧膜的生物传感器。
按照实施例1中电流与氧分压的拟合曲线方法，绘制出含聚醚砜透氧膜的氧分压传感器的拟合曲线，并与实施例1中含TSPCU2090透氧膜和无透氧膜的生物传感器的拟合曲线进行比较，结果如表3和图6所示。
表3
| 传感器类型 | 斜率 | CV值 |
| 含聚醚砜透氧膜 | -0.0080 | 5.7％ |
| 含TSPCU2090透氧膜 | -0.0046 | 8.5％ |
| 无透氧膜 | -0.0044 | 9.3％ |
实施例3的数据结果表明，含聚醚砜透氧膜的生物传感器的电极斜率最大，为-0.0080，明显大于含TSPCU2090透氧膜和无透氧膜的氧分压传感器的电极斜率，且含聚醚砜膜的氧分压传感器的CV值最小，为5.7％，有较好的精度。由此可知，当氧分压生物传感器的透氧膜材料含有醚基时，能显著增大氧分压电极的效率，且电极精度更好。
实施例4含环氧基绝缘层(环氧树脂绝缘层)的生物传感器斜率
本实施例4比较了含普通绝缘层和TSPU2080A透氧膜、含普通绝缘层和TSPCU2090透氧膜、含环氧基绝缘层和TSPU2080A透氧膜、含环氧基绝缘层和TSPCU2090透氧膜这四种生物传感器的斜率。所述普通绝缘层为上述实施例1、2和3中的Gwent绝缘层，该绝缘油墨的组分是聚酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、陶瓷、氧化铝，不含环氧基团。本实施例4中所述含环氧基绝缘层为环氧树脂绝缘层。
含环氧树脂绝缘层和TSPU2080A透氧膜的生物传感器的制备包括以下步骤。
(1)通过电镀或化学镀的方法形成金层，作为工作电极1，通过电镀或化学镀方法形成银层，作为对电极2。
(2)将含有环氧树脂的绝缘薄片粘贴在工作电极1和对电极2的外周部分，形成绝缘层3，并且使工作电极1和对电极2裸露。
(3)配置电解质浆料及形成电解质层4。所述电解质层浆料的配置方法为：将氯化钾溶解于去离子水中，形成氯化钾浓度为0.22M的电解质溶液。在电解质溶液中加入0.2M的甘氨酸和适当的氢氧化钾作为缓冲液，使电解质溶液的pH值为8.4。将0.274g纤维素钠、0.040g纤维素和0.363g聚乙烯吡咯烷酮溶解于36.2克去离子水中，搅拌均匀，作为成膜剂和增稠剂的溶液。取2.4g电解质溶液和1.2g成膜剂和增稠剂溶液，混匀，形成电解质层浆料，最后加入表面活性剂Triton。将Triton稀释成10％的水溶液，取0.02g该水溶液加入电解质浆料中，混合均匀后使用点液机滴加到工作电极1表面。电解质浆料覆盖工作电极1表面，经烘箱干燥，形成电解质层4。
(4)取0.05g TSPU2080A溶解于1.950g异佛尔酮，形成浓度为2.5％的透氧膜溶液，使用点液机将透氧膜溶液滴加在电解质层4上，经过烘箱干燥，形成透氧膜，即制成含环氧树脂绝缘层和TSPU2080A透氧膜的生物传感器。
含环氧树脂绝缘层和TSPCU2090透氧膜的生物传感器的制备包括以下步骤。
制备步骤(1)、(2)和(3)与上述制备含环氧树脂绝缘层和TSPU2080A透氧膜的生物传感器的制备步骤(1)、(2)和(3)相同。步骤(4)：取0.05gTSPCU2090溶解于1.950g N,N-二甲基乙酰胺，形成浓度为2.5％的透氧膜溶液，使用点液机将透氧膜溶液滴加在电解质层4上，经过烘箱干燥，形成透氧膜，即制成含环氧树脂绝缘层和TSPCU2090透氧膜的生物传感器。
本实施例4中的含环氧树脂绝缘层的生物传感器的俯视图和剖面视图如图7和8所示。
按照实施例1中电流与氧分压的拟合曲线方法，绘制出含环氧树脂绝缘层和TSPU2080A透氧膜、含环氧树脂绝缘层和TSPCU2090透氧膜的生物传感器的拟合曲线，并与实施例1中含Gwent绝缘层和TSPU2080A透氧膜、含Gwent绝缘层和TSPCU2090透氧膜的生物传感器的拟合曲线进行比较，结果如表4和图9所示。
表4
| 传感器类型 | 斜率 | CV值 |
| 含环氧树脂绝缘层和TSPU2080A透氧膜 | -0.0115 | 5.3％ |
| 含环氧树脂绝缘层和TSPCU2090透氧膜 | -0.0077 | 7.5％ |
| 含Gwent绝缘层和TSPU2080A透氧膜 | -0.0088 | 5.4％ |
| 含Gwent绝缘层和TSPCU2090透氧膜 | -0.0046 | 8.5％ |
实施例4的数据结果表明，含环氧树脂绝缘层和TSPU2080A透氧膜的氧分压传感器斜率为-0.0115，明显大于含Gwent绝缘层和TSPU2080A透氧膜的氧分压传感器的斜率(-0.0088)；同样地，含环氧树脂绝缘层和TSPCU2090透氧膜的氧分压传感器的斜率(-0.0077)也大于含Gwent绝缘层和TSPCU2090透氧膜的氧分压传感器的斜率(-0.0046)。由此可知，当氧分压生物传感器的绝缘层中含有环氧基团时，能显著增大氧分压电极的效率，且电极精度更好。
实施例5含TSPU2080A透氧膜的电极传感器用于检测试样的氧分压值
取5个不同氧分压浓度的试样，且该5个试样的氧分压值经丹麦雷度公司的ABL80血气分析仪测得，分别为40mmHg,98mmHg,167mmHg,249mmHg和397mmHg。将实施例1中制备的含TSPU2080A透氧膜的生物传感器用于检测该5个试样的氧分压值，每个试样测4次，取其平均值作为氧分压值，结果如表5所示。
表5
实施例5的数据结果表明，含TSPU2080A透氧膜的生物传感器在测量低浓度、中浓度和高浓度的氧分压时均有较好的检测准确性，且CV值较小。
Claims (10)
1.一种测定氧分压的生物传感器，包括电极***、绝缘层、定标液加注口和试液加注口，所述电极***至少包括一个工作电极和一个对电极，所述工作电极上覆盖电解质层，所述电解质层上覆盖透氧膜，其特征在于，所述透氧膜或绝缘层包括含醚有机聚合物。
2.根据权利要求1所述的测定氧分压的生物传感器，其特征在于，透氧膜包括含醚有机聚合物，绝缘层不包括含醚有机聚合物；或透氧膜不包括含醚有机聚合物，绝缘层包括含醚有机聚合物；或透氧膜和绝缘层都包括含醚有机聚合物。
3.根据权利要求1或2所述的测定氧分压的生物传感器，其特征在于，所述含醚有机聚合物选自热塑性有机硅聚醚聚氨酯或聚醚砜或环氧树脂。
4.根据权利要求3所述的测定氧分压的生物传感器，其特征在于，所述热塑性有机硅聚醚聚氨酯的浓度为0.5-10％。
5.根据权利要求4所述的测定氧分压的生物传感器，其特征在于，所述热塑性有机硅聚醚聚氨酯的浓度为0.8％-6.0％。
6.一种测定氧分压的生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过电镀或化学镀或丝网印刷的方法形成电极***，所述电极***至少包括一个工作电极和一个对电极；
步骤2：将绝缘材料添加在电极***的外周部分，形成绝缘层；
步骤3：预先配置电解质溶液，电解质溶液均匀覆盖在工作电极上，形成电解质层；
步骤4：预先配置透氧膜溶液，透氧膜溶液均匀覆盖在电解质层上，形成透氧膜；
其中，所述透氧膜或绝缘层包括含醚有机聚合物。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，透氧膜包括含醚有机聚合物，绝缘层不包括含醚有机聚合物；或透氧膜不包括含醚有机聚合物，绝缘层包括含醚有机聚合物；或透氧膜和绝缘层都包括含醚有机聚合物。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述含醚有机聚合物选自热塑性有机硅聚醚聚氨酯或聚醚砜或环氧树脂。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述热塑性有机硅聚醚聚氨酯的浓度为0.5-10％。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述热塑性有机硅聚醚聚氨酯的浓度为0.8-6.0％。
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